(57)【要約】【課題】潤滑用皮膜について表面性状の根本的な改良を行うことで、ピストン等の摺動部材の摺動特性を向上させる。【解決手段】アルミニウム或いはアルミニウム合金からなるピストン１０のピストンスカート部１３に潤滑用皮膜を形成し、７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物とケイフッ化アンモニウムとを含む処理液に浸漬する。これにより、ピストンスカート部１３に形成された潤滑用皮膜の表面性状の変化がなされ、エンジンオイルとのなじみ（濡れ性）が向上する。また、ピストンリング溝１２、ピストンピンボス１４、ピストンヘッド１１、及びピストン内面には、Ａｌ−ＯＨ−Ｆ化合物もしくはＮＨ４−Ｍｇ−Ａｌ−Ｆ化合物、又は両方の混合物から成る化成処理皮膜が形成され、表面性状の変化がなされた潤滑用皮膜とあいまって、一層のなじみ（濡れ性）の向上が実現される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム或いはアルミニウム合金からなる部材の一部又は全部に潤滑用皮膜を形成し、前記部材を、７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物とケイフッ化アンモニウムとを含む処理液に浸漬することを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記潤滑用皮膜は、ポリアミドイミド、又は、固体潤滑剤を含有したポリアミドイミドにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記固体潤滑剤には、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレン、及び二硫化モリブデンのうちのいずれかが含まれることを特徴とする請求項２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
アルミニウム或いはアルミニウム合金からなる摺動部材であって、
当該摺動部材の一部又は全部に潤滑用皮膜が形成され、
前記潤滑用皮膜が７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物とケイフッ化アンモニウムとを含む処理液に浸漬されて化成処理されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
当該摺動部材の一部に前記潤滑用皮膜が形成されており、
前記潤滑用皮膜が形成された部位以外の部位に、Ａｌ−ＯＨ−Ｆ化合物もしくはＮＨ４−Ｍｇ−Ａｌ−Ｆ化合物、又は両方の混合物から成る化成処理皮膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
【請求項６】
当該摺動部材はピストンであって、
ピストンスカート部に前記潤滑用皮膜が形成され、前記潤滑用皮膜が７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物とケイフッ化アンモニウムとを含む処理液に浸漬されて化成処理されており、
前記潤滑用皮膜が形成されていない、ピストンリング溝、ピストンピンボス、ピストンヘッド、及びピストン内面には、Ａｌ−ＯＨ−Ｆ化合物もしくはＮＨ４−Ｍｇ−Ａｌ−Ｆ化合物、又は両方の混合物から成る化成処理皮膜が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の摺動部材。
【請求項７】
前記潤滑用皮膜は、ポリアミドイミド、又は、固体潤滑剤を含有したポリアミドイミドにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項８】
前記固体潤滑剤には、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレン、及び二硫化モリブデンのうちのいずれかが含まれることを特徴とする請求項７に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム或いはアルミニウム合金への表面処理方法等に関し、特に内燃機関のピストンスカート部等の摺動部材の摩擦損失の低減等をするための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（実開昭６３−１９６４５０号公報）には内燃機関のピストン外周面に潤滑用皮膜をコーティングすることで境界潤滑時の摩擦係数を低減して摩擦損失の低減を図る技術が開示されている。
【０００３】
非特許文献１（発明協会公開技報、公技番号８９−２０１４２）には、ピストンスカート部にフッ素樹脂などの潤滑用皮膜を形成し、オイルの保持性（かつオイル上がりの低減）を高めるために、皮膜を形成しない切れ目部を複数形成することが開示されている。この技術によれば、皮膜周囲へのオイルの保持性を高めることができる。しかし、切れ目部がシリンダボアとの面圧が高い部分と重なり、スカート部とシリンダボアが当たってしまい衝撃力が大きくなる（衝撃音が大きくなる）という問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献２（特開２００１−１８２６１２号公報）には、ピストンスカート部とシリンダボアとの面圧が低いスカート部下端にオイルが流入する溝部を形成することが開示されており、スカート部とシリンダボアが当たったときの衝撃音を低減するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−１９６４５０号公報
【特許文献２】特開２００１−１８２６１２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】発明協会公開技報公技番号８９−２０１４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ピストンスカート部等の摺動部材に形成される潤滑用皮膜は潤滑油（エンジンオイル）とのなじみ（濡れ性）が低いため、境界潤滑になり易いという問題がある。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された技術は、潤滑用皮膜とエンジンオイル、すなわち、潤滑用皮膜と潤滑油とのなじみ（濡れ性）を根本的に改善するものではない。
【０００８】
本発明は係る実情に鑑みてなされたものであり、境界潤滑の回避、及び、摩擦損失低減に向けた表面性状の根本的な改良を行うことで、摺動部材の摺動特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の表面処理方法は、アルミニウム或いはアルミニウム合金からなる部材の一部又は全部に潤滑用皮膜を形成し、前記部材を、７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物とケイフッ化アンモニウムとを含む処理液に浸漬することを特徴とする。
また、本発明の摺動部材は、アルミニウム或いはアルミニウム合金からなる摺動部材であって、当該摺動部材の一部又は全部に潤滑用皮膜が形成され、前記潤滑用皮膜が７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物とケイフッ化アンモニウムとを含む処理液に浸漬されて化成処理されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、潤滑用皮膜の潤滑油とのなじみ（濡れ性）を向上させることができ、潤滑用皮膜の摺動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関のピストンを示す図である。
【図２】実施例１における接触角の評価値を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
本発明に係る表面処理方法は、摺動部材に用いて好適な表面処理方法であり、摺動部材の摩擦損失の低減等を実現することで摺動特性の向上を図るものである。概要としては、アルミニウム或いはアルミニウム合金からなる摺動部材の一部又は全部に対して潤滑用皮膜を形成し、その後、摺動部材に化成処理を施すようにするものである。以下、詳しく説明する。
【００１４】
先ず、本発明に係る表面処理方法が対象とする摺動部材の材質或いは材料は、アルミニウム或いはアルミニウム合金である。アルミニウム或いはアルミニウム合金には、純アルミニウム、アルミニウム展伸材、アルミニウム鋳物、アルミニウム・ダイカスト材等が含まれ、本発明では、このような材質或いは材料で形成された摺動部材に対して、潤滑用皮膜の形成及び化成処理からなる表面処理を行うようにする。
【００１５】
摺動部材の一部又は全部に対して形成する潤滑用皮膜は、潤滑性、耐摩耗性、耐熱性、加工性等に優れるポリアミドイミドを用いるか、又は、ポリアミドイミドに汎用性の高い固体潤滑剤としての黒鉛（グラファイト）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を含有させたものを用いて形成するようにする。また、潤滑用皮膜の形成については、印刷法やスプレー法により任意の箇所に行うようにする。
【００１６】
そして、本発明に係る化成処理は、脱脂、エッチング、脱スマットの後に施すようにする。なお、脱脂では、アルミニウム表面に付着した油脂分や汚れを除去し、エッチングでは、脱脂では除去できないアルミニウム表面の汚れや傷の除去を行い、脱スマットでは、エッチングの際に表面に残ったアルミニウムに含まれる不純物を酸性水溶液により除去する。脱脂、エッチング及び脱スマットは、潤滑用皮膜の形成後に行われるが、この工程による潤滑用皮膜への密着不良等のダメージはない。
【００１７】
脱脂、エッチング、脱スマットの後に施す化成処理は、７０〜１００℃の温度範囲のフッ素化合物およびケイフッ化アンモニウムを含む化成処理水溶液に、摺動部材を３〜５分間浸漬することで行う。
【００１８】
ここで、フッ素化合物とは、ケイフッ化アンモニウムを除くフッ素化合物を意味するものとし、具体的には、ケイフッ化マグネシウム（ＭｇＳｉＦ6・６Ｈ2Ｏ）、ケイフッ化亜鉛（ＺｎＳｉＦ6・６Ｈ2Ｏ）、ケイフッ化カリウム（Ｋ2ＳｉＦ6）、ケイフッ化ソーダ（Ｎａ2ＳｉＦ6）、ケイフッ化マンガン（ＭｎＳｉＦ6・６Ｈ2Ｏ）等のケイフッ化塩、ホウフッ化塩、フッ化ジルコニウム塩、フッ化チタン等が含まれる。これらのフッ素化合物の中でも、ケイフッ化塩が好ましく用いられ、特にケイフッ化マグネシウム、ケイフッ化マンガン等が好ましい。
【００１９】
また、化成処理水溶液には、水１００重量部に対して、フッ素化合物が０．１〜２０重量部、より好ましくは０．２〜１５重量部、ケイフッ化アンモニウムが０．０５〜１５重量部、より好ましくは０．１〜１０重量部が含まれる。
【００２０】
また、化成処理水溶液の温度範囲を７０〜１００℃とするのは、７０℃未満であると反応が遅くなり、１００℃よりも高くすると蒸発が多くなってしまい好ましくないという理由による。また、浸漬時間を３〜５分とするのは、３分未満であると反応が不十分である場合があり、また反応が終了した場合には長く浸漬させても反応或いは形成される皮膜に何ら変化が生じないという理由による。
【００２１】
本発明に係る表面処理方法では、上記で説明したような皮膜を形成した後、化成処理を行うことでなされる。化成処理後の摺動部材では、潤滑用皮膜が化成処理により表面性状が変化し、潤滑油（エンジンオイル等）とのなじみ（濡れ性）が格段に向上し、オイルの保持性能が向上する。また、潤滑用皮膜が形成されていない部分においては、その表面に、Ａｌ−ＯＨ−Ｆ化合物もしくはＮＨ４−Ｍｇ−Ａｌ−Ｆ化合物、又は両者の混合物から成る化成処理皮膜が形成され、性状が改質された潤滑用皮膜部分とあいまって摺動部材全体の摺動特性が格段に向上する。
【００２２】
図１は、本発明に係る表面処理方法により表面処理を施した内燃機関におけるピストン１０を示す図である。図１に示すように、ピストン１０は、ピストンヘッド１１、ピストンヘッド１１の周面に形成されるピストンリング溝１２、ピストンヘッド１１の下端から形成されるピストンスカート部１３、ピストンピンを挿通するピストンピンボス１４を含んで構成される。ピストン１０では、ピストンスカート部１３の裏面に空間が形成されており、ピストン１０のピストンヘッド１１よりも下の部分は中空状となっている。
【００２３】
内燃機関で用いられるピストン１０は、その摺動時にシリンダライナとピストンスカート部１３との接触が生じる。そのためピストン１０では、ピストンスカート部１３に潤滑用皮膜（樹脂コート）を形成し（図１のノードを付した部位）、摩擦係数の増大を抑制するが、その後に本発明に係る化成処理を施すことで、一層の摺動特性の向上が図られている。
【００２４】
ピストン１０につき本発明に係る化成処理をした後は、ピストンスカート部１３に形成された潤滑用皮膜の表面性状が変化し、エンジンオイルとのなじみ（濡れ性）が格段に向上することになり、エンジンオイルの保持性能が向上する。この保持性能は、低温から高温まで発揮されるため、エンジンの始動時の潤滑がスムーズに行われるとともに、高負荷時においても摩擦係数の増大を大幅に抑制できることになる。
【００２５】
また、ピストンリング溝１２とここに嵌合されるピストンリング及びピストンピンボス１４とこれに挿通されるピストンピンの摺動部には潤滑油が十分に供給されない場合があると、従来から指摘されている。だが、ピストン１０においては、潤滑用皮膜が形成された部分（ピストンスカート部１３）以外の部分には、化成処理が施されることになる。このため、潤滑用皮膜が形成された部分以外の部分の表面に、Ａｌ−ＯＨ−Ｆ化合物もしくはＮＨ４−Ｍｇ−Ａｌ−Ｆ化合物、又は両者の混合物から成る化成処理皮膜が形成される。詳しくは、ピストンヘッド１１、ピストンリング溝１２、ピストンピンボス１４及びその挿通孔の内面、及びピストン１０の内面に化成処理皮膜が形成される。その結果、化成処理により改質された潤滑用皮膜部分（ピストンスカート部１３の表面）とあいまって、ピストン１０全体の摺動特性が一層格段に向上し、内燃機関の燃費向上及び出力向上がなされることになる。
【００２６】
なお、ここでは、本発明に係る表面処理を施したピストン１０を説明したが、潤滑用皮膜が形成される部品（例えばその他の動力機関向けのピストン、軸受け）であれば、その効果は同様に発現されるため、本発明の適用範囲は広範である。
【００２７】
以上のように本発明に係る表面処理方法によれば、潤滑用皮膜の潤滑油とのなじみ（濡れ性）を向上させることができ、摩擦損失の低減等により、潤滑用皮膜の摺動特性を向上させることができる。
【００２８】
そして、このような表面処理を施したピストンを用いれば、エンジンオイルとのなじみ（濡れ性）が向上することで、エンジンオイルの保持性能が向上する。そしてこの保持性能は、低温から高温域まで発揮されるため、エンジンの始動時の潤滑がスムーズに行われるとともに、高負荷時においても摩擦係数の増大を大幅に抑制でき、結果として、摺動時に境界潤滑になることを避けることができ、燃費向上効果、出力向上効果を得ることができることになる。また、ピストンスカート部はその一面に潤滑用皮膜が形成されているため、ピストンスカート部とシリンダボアが当たったときの衝撃音を抑えることができる。
【００２９】
また、ピストン１０では、ピストンスカート部１３以外の部分に潤滑用皮膜を形成していないが、このような態様では、アルミニウムの溶解が潤滑用皮膜の化成処理に影響し、潤滑用皮膜の化成処理による改質がスムーズに行われると考えられる。
【００３０】
なお、本発明は、表面処理の対象をアルミニウム或いはアルミニウム合金としているが、その対象部材にその他の鉄材等が鋳込まれたり、嵌合されても適用が可能であり、また、対象部材としてその他の鉄材等への適用の可能性も期待できる。
【実施例１】
【００３１】
本発明に係る実施例１について説明する。実施例１では、ピストンに用いられる代表的なアルミ合金であるＪＩＳ ＡＣ８Ａ鋳物材で製造された基準試験片に、樹脂バインダーとしてポリアミドイミドを使用して、固体潤滑剤としての潤滑用黒鉛を２０〜３０％含む皮膜を８μｍ形成した。
【００３２】
その後、８０〜９０℃に加熱されたケイフッ化マグネシウムとケイフッ化アンモニウムとを含む水溶液（処理液）に試験片を浸漬して３〜５分間化成処理した。
【００３３】
試験片のエンジンオイルとのなじみ（濡れ性）は、処理した試験片上に５Ｗ３０オイルを０．０１７ｇ滴下することにより評価した。試験片温度としては、２５℃、５０℃、７５℃で行った。その結果、化成処理無しの潤滑用皮膜ではオイルとの濡れ性が粘度の低い５Ｗ３０であっても、２５〜３０°程度であったのに対し、化成処理を行った潤滑用皮膜では、１０〜１５°程度であり、化成処理を行わないものと比較してほぼ半分であり、オイルとの濡れ性が非常に高いことが確認できた。この結果を図２に示す。
【００３４】
なお、接触角は、固体の表面張力（γS）、液体の表面張力（γL）、固体と液体の界面張力（γSL）から、γS＝γLｃｏｓθ＋γSLの計算式が成り立ち、具体的にはｔａｎ（θ／２）＝ｈ／ｒから、θを求めたものである（なお、ｒ：底辺の１／２，ｈ：液滴の高さ）。接触角θは、なじみ（濡れ性）の評価値となるものであり、小さい程、なじみが良いと評価できる。
【実施例２】
【００３５】
次に実施例２について説明する。実施例２では、ピストンに用いられる代表的なアルミ合金であるＪＩＳ ＡＣ８Ａ鋳物材で製造された基準試験片に、樹脂バインダーとしてポリアミドイミドを使用して、固体潤滑剤としての潤滑用二硫化モリブデンを２０％程度含む皮膜を７μｍ形成した。
【００３６】
その後、８０〜９０℃に加熱されたケイフッ化マグネシウムとケイフッ化アンモニウムを含む水溶液に試験片を浸漬して３〜５分間化成処理した。
【００３７】
エンジンオイルとのなじみ（濡れ性）は、実施例１と同様に、処理した試験片上に５Ｗ３０オイルを０．０１７ｇ滴下することにより評価した。試験片温度は２５℃、５０℃、７５℃で行った。その結果、実施例１とほぼ同じ結果が得られ、化成処理無しの潤滑用皮膜に対して化成処理を行った潤滑用皮膜の接触角はほぼ半分であった。
【実施例３】
【００３８】
次に実施例３について説明する。実施例３では、ピストンに用いられる代表的なアルミ合金であるＪＩＳ ＡＣ８Ａ鋳物材で製造された基準試験片に、樹脂バインダーとしてポリアミドイミドを使用して、固体潤滑剤を含まない潤滑用皮膜１０μｍを形成した。
【００３９】
その後、８０〜９０℃に加熱されたケイフッ化マグネシウムとケイフッ化アンモニウムとを含む水溶液に試験片を浸漬して３〜５分間化成処理をした。
【００４０】
エンジンオイルとのなじみ（濡れ性）は、実施例１，２と同様に、処理した試験片上に５Ｗ３０オイルを０．０１７ｇ滴下することにより、評価した。試験片温度は、２５℃、５０℃、７５℃で行った。その結果、実施例１とほぼ同じ結果が得られ、化成処理無しの潤滑用皮膜に対して化成処理を行った潤滑用皮膜の接触角はほぼ半分であった。
【実施例４】
【００４１】
次に実施例４について説明する。実施例４では、ピストンに用いられる代表的なアルミ合金であるＪＩＳ ＡＣ８Ａ鋳物材で製造されたピストンに、樹脂バインダーとしてポリアミドイミドを使用して、固体潤滑剤としての潤滑用二硫化モリブデンを２０％含む皮膜を、ピストンスカート部（図１参照）に６〜１５μｍ形成した。
【００４２】
その後、８０〜９０℃に加熱されたケイフッ化マグネシウムとケイフッ化アンモニウムとを含む水溶液にピストンを浸漬して３〜５分間化成処理した。
【００４３】
その結果、ピストンスカート部では化成処理により表面性状が改質された潤滑用皮膜が形成され、また、ピストンリング溝、ピストンピスボス、ピストンヘッド、及びピストン内面には化成処理皮膜であるＡｌ−ＯＨ−Ｆ化合物もしくはＮＨ４−Ｍｇ−Ａｌ−Ｆ化合物、又は両者の混合物からなる化成処理皮膜が形成された。ピストンスカート部の表面性状の改質、及びピストンリング溝、ピストンピンボス、ピストンヘッド、及びピストン内面の表面処理による成膜により、摩擦損失を大幅に低減でき、出力の向上・燃費向上の効果を得ることができた。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ピストン
１１  ピストンヘッド
１２  ピストンリング溝
１３  ピストンスカート部
１４  ピストンピンボス
【図１】
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【図２】
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